仰天洞隧道爆破掘進對鄰近引水渠的影響分析*

王佳輝，周晗赟，任科亮，符瞻遠

(1.浙江交工金筑交通建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310051； 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350)

0 引言

隨著國家交通運輸工程建設(shè)的快速發(fā)展，長大隧道不斷涌現(xiàn)。新建隧道爆破掘進產(chǎn)生的振動易對鄰近建筑物產(chǎn)生危害[1]，學(xué)者們對此進行了大量研究，如石連松等[2]通過對地鐵淺埋隧道爆破振動的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)空洞效應(yīng)現(xiàn)象，并給出了爆破減振措施；張鵬[3]通過現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬，研究了隧道爆破振動對上覆高壓鐵塔塔基的影響；楊俊[4]結(jié)合理論研究、數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測，研究了隧道爆破振動對鄰近樓房的影響，給出了減隔振措施；張浩等[5]基于康坂隧道與下方杭深高鐵溫福段東盛隧道之間的位置關(guān)系，制定了專項爆破施工方案和監(jiān)測方案，分析了爆破振動對下方東盛隧道穩(wěn)定性的影響；趙凱等[6]以南京市地鐵4號線鼓樓站工程為依托，研究了隧道爆破對鄰近文物建筑鼓樓振動響應(yīng)的影響；白宇輝[7]以長春市地鐵3號線隧道工程為依托，應(yīng)用LS-DYNA軟件對上部結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)進行了數(shù)值模擬分析；張立人等[8]以翻壩高速公路寨子包隧道爆破施工為依托，進行了隧道爆破振動測試分析，得到爆破振動規(guī)律經(jīng)驗公式；郭偉平[9]基于下營隧道工程現(xiàn)場爆破情況、監(jiān)測數(shù)據(jù)與爆破振動速度，研究了新建隧道爆破振動對鄰近既有隧道的影響；為避免隧道爆破對環(huán)境造成影響，吳躍光[10]通過采取增加雷管段位、延長爆破時間、減少掏槽眼數(shù)量和裝藥量、減少同段裝藥量等優(yōu)化措施，降低爆破振動速度。

仰天洞隧道爆破掘進過程中，需保證隧道附近引水渠的安全，但目前對類似工程的研究較少，為此，采用現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對爆破振動響應(yīng)進行研究。結(jié)合鄰近引水渠振動速度監(jiān)測結(jié)果，通過MIDAS GTS NX軟件模擬得到引水渠振動速度云圖，并據(jù)此提出減振措施。對爆破方案合理性進行驗證，為隧道爆破施工提供依據(jù)。

1 工程概況

仰天洞隧道為分離式隧道，凈高10.75m，洞口形式為削竹式。隧道所處地段屬浙西中山丘陵區(qū)，沿線山峰連綿起伏。左線起訖里程為ZK56+820—ZK58+330，長1 510m。右線起訖里程為K56+831—K58+350，長1 519m。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察資料，隧址區(qū)巖性主要為石英砂巖、砂巖，隧道圍巖長度如表1所示。隧道進口位于引水渠上方，與引水渠水平距離約為37m，距隧道左洞200m處為引水隧洞進口，如圖1所示。

表1 隧道圍巖長度 m

圖1 隧道位置

2 爆破方案設(shè)計

以隧道右線Ⅳ級圍巖為例，闡述爆破方案設(shè)計。隧道進洞60m后進入Ⅳ級圍巖，采用上下臺階法開挖，由于上臺階最大單孔裝藥量、總裝藥量均大于下臺階，且下臺階爆破時上方已形成臨空面，因此主要監(jiān)測上臺階爆破振動。為保證施工安全，并控制鄰近引水渠等建(構(gòu))筑物振動響應(yīng)，采取控制裝藥量與爆破時間間隔等措施。

上臺階爆破參數(shù)如表2所示，循環(huán)進尺約為2m，炮眼布置如圖2所示。為降低爆破振動速度，爆破孔內(nèi)采用不同段別毫秒導(dǎo)爆雷管延期爆破，爆破孔外采用同段雷管簇連一次性同時起爆。按延時順序設(shè)置爆破孔內(nèi)電子雷管延期時間，其中1，3，5段雷管延期時間均為50ms，7～10段雷管延期時間分別為60，70，80，90ms。

表2 上臺階爆破參數(shù)

圖2 炮眼布置

3 爆破振動監(jiān)測

3.1 監(jiān)測方案

由于引水渠距仰天洞隧道較近，本文主要監(jiān)測引水渠振動響應(yīng)，監(jiān)測點布置如圖3所示，監(jiān)測儀器采用L20型智能爆破測振儀，為避免環(huán)境因素的干擾，經(jīng)多次試驗驗證后將觸發(fā)電平設(shè)為0.1cm/s，考慮上、下臺階分別爆破，將記錄時長設(shè)為10s，采樣率設(shè)為10 240sps，負(fù)延時設(shè)為0.25s。

圖3 監(jiān)測點布置

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

Ⅳ級圍巖第1次爆破1號監(jiān)測點最大振動速度如表3所示。由表3可知，各方向主振頻率為20～50Hz；各方向最大振動速度均較小，其中切向最大，徑向次之，垂向最小，滿足GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》[11]的有關(guān)規(guī)定，可知爆破振動對引水渠的影響較小，證明了爆破方案合理可行。

表3 1號監(jiān)測點最大振動速度

1號監(jiān)測點振動速度時程曲線如圖4所示。由圖4可知，各方向振動速度時程曲線具有多個峰值，且最大振動速度出現(xiàn)時刻不同，掏槽眼爆破時振動速度最大，這是因為巖石夾制作用較大，自由面條件差，需通過控制掏槽眼裝藥量降低振動速度；周邊眼、底板眼由于炮眼數(shù)目較多，出現(xiàn)波形疊加現(xiàn)象，但振動速度峰值未明顯增大；底板眼單段總裝藥量雖最大，但振動速度較小，這是由于掏槽眼爆破后形成臨空面，使底板眼爆破形成的爆破波較小。

圖4 1號監(jiān)測點振動速度時程曲線

3.3 安全允許振動速度預(yù)測

采用最大徑向振動速度確定薩道夫斯基公式衰減系數(shù)，進而預(yù)測其他方向最大振動速度。監(jiān)測點最大徑向振動速度如表4所示。由表4可知，隨著爆心距的增加，最大徑向振動速度逐漸減小。為提供爆破安全振動速度預(yù)測依據(jù)，利用表4數(shù)據(jù)進行擬合，得到引水渠所處地質(zhì)條件下的薩道夫斯基公式為：

表4 監(jiān)測點最大徑向振動速度

(1)

式中：V為安全允許振動速度；Q為最大單孔裝藥量；R為安全允許距離。

4 有限元分析

為進一步分析仰天洞隧道爆破振動對引水渠的影響，利用有限元軟件MIDAS GTS NX開展數(shù)值模擬研究。

4.1 計算模型與參數(shù)

有限元模型寬度、長度分別取350，500m，結(jié)合隧道所處地形情況，模型高度取50～150m，如圖5所示，圍巖斷面如圖6所示。圍巖采用基于莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型模擬，彈性和黏性邊界通過地層彈簧直接生成，共劃分約12萬個單元。

圖5 有限元模型

圖6 圍巖斷面

結(jié)合地質(zhì)勘察資料和JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》[12]選取隧道物理力學(xué)參數(shù)，如表5所示。

采用三角形加載方式，爆破荷載上升時間為12ms，總時間為120ms，火藥密度為0.8g/m3，炸藥直徑為32mm，炮眼直徑為42mm，砂巖橫向波速為3 050m/s，按一級掏槽眼6孔、單段總裝藥量8.4kg考慮。

4.2 結(jié)果分析

引水渠振動速度云圖如圖7所示。由圖7可知，徑向、垂向、切向最大絕對振動速度分別為0.325，0.303，0.394cm/s，引水渠切向振動響應(yīng)最顯著，說明切向爆破波的影響最大，徑向爆破波的影響次之，但其引起引水渠徑向振動速度出現(xiàn)2個峰值帶，現(xiàn)場監(jiān)測時應(yīng)注意徑向振動速度的變化。

圖7 引水渠振動速度云圖(單位：mm·s-1)

5 結(jié)語

1)仰天洞隧道Ⅳ級圍巖爆破對鄰近引水渠振動響應(yīng)具有一定影響，現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果均表明引水渠切向振動速度最大，說明切向爆破波為主要影響來源。通過采取控制裝藥量與爆破時間間隔等措施后，引水渠各方向最大振動速度均滿足規(guī)范限值要求，結(jié)構(gòu)未受到嚴(yán)重傷害。

2)徑向、垂向、切向最大振動速度均出現(xiàn)在掏槽眼爆破段位，可通過控制掏槽眼裝藥量減小隧道爆破振動的影響。同時，應(yīng)設(shè)置合理的延期時間，避免一級掏槽眼與二級掏槽眼爆破產(chǎn)生的振動疊加。

3)爆心距越大，最大徑向振動速度越小，利用本文給出的薩道夫斯基公式可預(yù)測類似工程地質(zhì)條件下的安全允許振動速度，以保證結(jié)構(gòu)安全。

4)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果誤差較小，可知本文建立的有限元模型合理，可采用有限元數(shù)值模擬進行隧道爆破振動影響分析。